복합소재 재활용: 탄소섬유 폐기물에서 가치 창출하기

재활용 기술 성숙과 투자 유치, 최종 용도 응용 확대

2016년 4월, 저는 "재활용 탄소섬유를 매력적으로 만들 수 있을까?"라는 칼럼을 썼습니다. 디트로이트 북미 국제 오토쇼에서 BMW i8의 루프 패널이 투명 클리어코트 처리된 재활용 탄소섬유 매트로 만들어졌음을 본 후였습니다. 당시 전시된 다른 가시 탄소섬유 사례는 모두 직물로, 클리어 마감 아래 클래식한 탄소섬유 '룩'을 보여주던 때라 상당히 진보적인 사례였습니다.

그 후 많은 변화가 있었습니다. 다양한 복합소재 재활용 기술이 성숙해 다수의 업체가 진입했습니다. 벤처 캐피탈과 전략적 투자자들의 투자도 이어졌습니다. 2016년 헥셀(Hexcel, 미국 코네티컷 주 스탬포드)이 카본 컨버전스(Carbon Conversions Inc., 미국 사우스캐롤라이나 주 레이크 시티) 지분을 인수했고, 2018년 12월 미쓰비시 상사(일본 도쿄)가 ELG 카본 파이버(ELG Carbon Fibre Ltd., 영국 코즐리) 지분 25%를 인수한 것이 대표적입니다. 아마도 가장 중요한 것은 재활용 복합소재를 적용한 최종 용도 응용이 맨홀 뚜껑, 공원 벤치, 3D 프린팅 소재 등으로 계속 늘고 있다는 점입니다.

2018년 12월 CompositesWorld 카본 파이버 컨퍼런스에서 ELG, 바르테가(Vartega Inc., 미국 콜로라도 주 골든), 복합소재 재활용 기술 센터(CRTC, 미국 워싱턴 주 포트 엔젤레스) 연사들이 재활용 복합소재의 물성(버진 소재와 동등하다고 주장)과 이미 생성된 최종 용도 응용을 발표했는데, 이는 상당한 수요로 이어질 수 있습니다.

복합소재 및 복합소재 폐기물 재활용의 두 가지 주요 목표는: 첫째, 폐기물을 매립하지 않는 것, 둘째, 이 소재들을 유용하고 (수익성 있는) 응용에 회수·재사용하는 방법을 찾는 것입니다. 하지만 어떤 방법이 어떤 목표를 달성하며, 다양한 원료에 어떤 방법이 적합할까요? 대화를 시작하기 위해 재활용 기술을 6단계로 분류하는 방법을 제안합니다:

레벨 0: 매립 폐기물 최소화

자재 활용도 개선과 동일 복합소재 제조 시설 내 타 제품에 오프컷(offal) 재투입으로 주도됩니다. 자동 테이프 적층(ATL), 건식 섬유 및 프리프레그 자동 섬유 배치(AFP) 같은 저폐기 공정 사용, 스크랩 조각 재분쇄 또는 절단해 연속/불연속 소재와 조합해 중간층에 사용하거나 사출/압축 성형에 활용. 열경화성·열가소성 모두 적용 가능하며 모든 제조업체의 최우선 과제여야 합니다.

레벨 1: 매립 예정 스크랩 자재 재활용

건식 섬유 스크랩의 분쇄, 절단, 매트 형태, 그리고 유통기한 만료나 오프스펙인 미경화 프리프레그를 덜 엄격한 성능 요건 제품에 성형하는 것 포함. 수많은 스크랩 섬유 가공업체와 CRTC 같은 프리프레그 '재활용' 업체들이 있습니다.

레벨 2: 경화 복합소재 및 스크랩 섬유/미경화 프리프레그 분쇄 후 추가 수지로 결합

금속, 목재, 콘크리트를 대체하는 다양한 패널 및 제품 생산. 원료는 수명 종료 풍력 터빈 블레이드, 보트, 항공기 부품, 자동차 부품 등이며 유리섬유, 탄소섬유, 폼 코어 모두 가능. 글로벌 파이버글라스 솔루션(Global Fiberglass Solutions Inc., 미국 워싱턴 주 보셀)과 그린텍스 솔루션(GreenTex Solutions LLC, 미국 사우스캐롤라이나 주 찰스턴)이 이 레벨 기업입니다.

레벨 3: 중간 제품 형태에서 섬유 회수

미경화 열경화성 및 열가소성 프리프레그에서 섬유 회수. 원섬유와 본질적으로 동등한 특성을 가지나 주로 불연속 '플러프(fluff)' 또는 펠렛 형태, 부직포 형태. ELG, 카본 컨버전스(둘 다 열분해), 바르테가(용매분해)가 이 레벨의 탄소섬유 제공.

레벨 4·5: 경화 복합소재 스크랩/불량품(레벨 4) 및 수명 종료 부품(레벨 5)에서 섬유 회수

복합소재 재활용의 '성배'입니다. 사용 기술로는 고온 열분해(ELG, 카본 컨버전스), 습식 화학적 폴리머 분해(어드히어런트 테크놀로지스, 미국 뉴멕시코 주 앨버커키), CHZ 테크놀로지스(미국 앨라배마 주 오번) 개발 이중 에너지 생산/섬유 회수 열분해법. 이들 기술의 경제적 스케일업이 장기 성공의 필수 조건입니다.

주어진 옵션을 고려할 때, 복합소재 제조업체는 재활용 기업을 섬유, 수지, 프리프레그 공급업체처럼 복합소재 공급망의 일부로 고려해야 합니다. 이를 위해 진화하는 기술의 성숙을 돕기 위해 R&D 자금 투자도 준비해야 합니다. 12월 보잉(Boeing)은 11개 제조 현장에서 발생하는 복합소재 폐기물(경화된 레벨 4, 미경화 레벨 3)을 ELG로 보내 탄소섬유 회수하는 5년 계약 체결을 발표했습니다. 시작이 되었으니 다른 제조사들도 따라야 합니다. 변명 불가.